中枢神经系统中产生和调节呼吸运动的神经元群。分布于脊髓、脑干、间脑、大脑皮层等部位。主要分布在脑干。脊髓和脑干在呼吸调节中作用是：
脊髓颈、胸节段灰质前角有呼吸运动神经元。颈3～5节有支配膈肌的神经元。脊髓胸段2～6节有支配肋间肌的运动神经元。如把脊髓在胸段第6节以下横断，对呼吸运动将不发生任何妨碍。如把脊髓在颈段第6节以下横断，肋间肌虽已失去作用，但膈肌还能照常进行有节律收缩活动；只有把脊髓在颈段第2节水平切断，呼吸肌由于与延髓中枢分离而不再起作用。
对脑干不同部位进行横断，中脑下丘以上部位（包括大脑、小脑、中脑）不存在时，动物能进行节律性呼吸，但此时切断颈部两侧迷走神经，则呼吸频率变慢，幅度加深。脑桥上1/3横断，节律性呼吸仍能进行，呼吸加深。如切断迷走神经，出现长吸呼吸，吸气时间延长，间有呼气。若在脑桥下缘横切，引起呼吸不规则。此时若将迷走神经也切断，则呼吸变慢。当延髓在闩以下横断，则节律性呼吸完全消失。
延髓中有产生节律性呼吸的基本中枢，两部位有部分重叠，如刺激呼气中枢，引起持续呼气动作；刺激吸气中枢，引起持续吸气动作；交替刺激两个部位，可引起相应呼气和吸气交替出现。吸气中枢更敏感。其中枢神经细胞群，一为背侧群，包括附近的孤束核，为吸气神经元群，自动发出冲动，作用于脊髓对侧的膈肌运动神经元，从而引起对侧膈肌收缩，又作用于腹外侧疑核，通过迷走神经和舌咽神经支配同侧呼吸辅助肌群，后疑核支配肋间肌运动神经元。
延髓中枢与脊髓之间具交互抑制现象。延髓的吸气神经元可通过下行路径引起脊髓吸气肌运动神经元兴奋，同时又有侧支通过抑制性中间神经元对脊髓呼气肌运动神经元起抑制作用，同样，延髓的呼气神经元下行冲动除引起脊髓呼气肌运动神经元兴奋外，还抑制吸气肌运动神经元活动。
延髓呼吸中枢具有内在节律活动，在整体内，吸气神经元能发放阵发性的成簇电位，每分钟12～15次，与呼吸频率相似，而呼气神经元无自发性放电。
脑桥呼吸调整中枢，当脑桥上1/3被横切后，再将两侧迷走神经切断，动物表现持久吸气，对延髓吸气中枢有加强作用。脑桥上方内侧臂旁核为呼吸调整中枢。其作用主要是抑制长吸中枢活动，使呼吸运动节律正常化。
下丘脑、大脑对呼吸有调节作用。如在高热时呼吸频率加快，乃由于下丘脑体温调节中枢通过脑干各级呼吸中枢而实现的。而人可以在一定限度内有意地控制呼吸深度和频率。